工业和汽车行业如何从 5G 中受益
作者：贸泽电子Mark Patrick
5G 不仅仅是局限于对移动通讯技术的改进，更高的下载速度可能会增强智能手机的浏览体验，但 5G 的真正影响巨大的应用更有可能尚未出现。本文中我们讨论5G如何会影响工业和汽车行业，以及您如何把 5G 构建到您的下一个设计项目。
为什么要在工业制造领域使用5G？
当今的许多智能工厂都受限于已有的有线架构限制，这些有线架构采用工业以太网、Profinet 和 CANbus 等经过验证的网络来连接自动化设备中的各种传感器、执行器和控制器。这种硬连线连接使得哪怕对生产设施的微小修改既费时又成本昂贵。
包括更快速4G/LTE在内的前几代无线网络，一直无法提供自动控制所需的实时响应能力和低延迟。此外，工厂车间是一个严苛的工作环境，较高的电气噪声和干扰对许多以前的无线通信技术性能构成巨大挑战，而5G 增强的网络功能（见图 1）可以解决其中一些问题，能够提高系统效率和灵活性。
图 1：5G 支持广泛的工业应用。（来源：5GACIA）
对于所以自动化工厂而言，其关键功能之一是监控。 5G 带来了大规模机器类通信 (mMTC) 能力，可满足广泛的无线传感器网络 (WSN) 需求。 相比前代无线技术，5G也更加节能，这对于延长互连设备的电池寿命至关重要，也可以最大限度地减少维护。
对于需要高精度和实时灵敏度的运动控制和工业机器人应用，采用有线工业以太网的时间敏感网络 (TSN) 已成为首选网络技术。凭借5G超可靠的低延迟通信 (URLLC)，因而它是一种可行的无线替代方案，此外还能够支持基于云端计算的机器人应用。
在工厂环境中正在得到应用的三种相关技术是虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和人工智能（AI），凭借5G的高速和 URLLC，因而能够支持在边缘进行处理。这种应用场景下，可以在云端执行功率密集型计算，从而在现场可部署不太复杂和成本较低的设备。
实施5G既有挑战也有机遇
为了保护对先前有线和无线网络技术的已有投资，5G 项目必须无缝集成到现有基础设施中，迄今为止的主要挑战之一是，室内覆盖从来都不是移动网络运营商 (MNO) 的优先考虑事项。 Open-RAN 技术的发展降低了 5G 无线电接入网络 (5G RAN) 的拥有成本，使专有 5G网路，也称为非公共网络 (NPN) 的部署成为现实的可能性。对于喜欢这种方案的企业，全球监管机构正在为专有 5G网路提供专用、具有成本效益的频谱。此外，根据工厂的运营需求，专有5G网路既可以与公网完全隔离，也可以实现共享。
5G和互联汽车时代
尽管 5 级 (L5) 自动驾驶成为商业现实可能还需要几年时间，业界预估汽车行业将处于 5G 部署的前沿。但在此之前，您购买的下一辆车却很可能会支持互联网，以管理远程信息处理、蜂窝车联网 (C-V2X) 和信息娱乐等系统。
图 2：5G下的互联汽车。（来源：贸泽电子）
当今的互连汽车每天可以产生多达 4TB 的数据，相当于大约 500 部电影，C-V2X 通信技术的最新进展已经在以多种方式使用这些数据。例如，来自发动机管理系统的数据现在被发送到远程服务中心进行预测性维护；有关当地交通状况和天气的信息也可以传输到公共安全系统中。甚至驾驶员行为和车辆行驶里程也可以为基于使用情况的保险计划提供数据支持。
在过去 5 年中，第三代合作伙伴计划 (3GPP) 是蜂窝电信技术的全球标准机构，其中的电信技术包括无线电接入、核心网络和服务能力等，可为移动电信提供完整的系统描述，3GPP一直在按照蜂窝网络技术的发展增加C-V2X 的功能（见图 3），第 16 版（Release 16）的功能为高级驾驶员辅助系统 (ADAS) 铺平了道路。
图 3：3GPP C-V2X 标准的演进。（来源：5GAA，更新的C-V2X 部署时间表）
尽管自动驾驶汽车的广泛普及似乎还需要一段时间，但已经有一些非常引人注目的试验。特斯拉、谷歌和宝马都因此而成为头条新闻，他们加固了公众的期望并推动了自动驾驶技术的发展。目前许多高端车辆已经具备一定程度的自动驾驶能力，有些甚至达到 3 级（L3），这也依赖于 C-V2X 技术。
尽管 4G/LTE 网络也能够支持上述许多应用，但不断增加的共享数据量给可用带宽带来了越来越大压力。此外，随着关键的车载安全和能源管理系统变得越来越复杂，低延迟已经变得更加重要。网络速度和云端-边缘处理能力必须支持人为反射级别的延迟，以实现更高程度的自动驾驶。同样，对于更复杂的 ADAS，互联汽车必须实时响应周围事件，而当前的无线网络正在达到极限，并且越来越成为发展障碍。没有 5G，就不会有自动驾驶汽车。
结论
大多数 5G 网络部署都在集中使用 3GPP 的 5G 新空口非独立组网（5G NR NSA）第 15 版规范来对4G/LTE升级，这使得推出有限范围的 5G 服务成为可能。然而，5G 的真正潜力是基于 3GPP 第 16 版和更远的第 17 版部署，自动驾驶汽车和工厂自动化等应用只有在能够轻松访问下一个具备如此级别性能的无线网络时才会真正成为现实。5G 的最初推出有些谨慎，这受到了全球新冠大流行的影响。第二波5G网络的推出肯定会加速对一些尚待开发广泛应用的需求。
